[發明專利]一種多場耦合下電池原位掃描電子顯微鏡的測試裝置

在審

• 申請號: 201810088127.1
• 申請日: 2018-01-30
• 公開（公告）號: CN108286953A
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: 陳浩森;張躍飛;宋維力;李娜;陳建;馬晉遙
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B15/06
• 分類號: G01B15/06;G01N23/2251
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

本發明涉及一種電池失效機理的原位測試，特別涉及一種多場耦合下電池原位掃描電子顯微鏡的測試裝置，屬于電池原位表征領域。裝置用于對電池施加不同的溫度，可以實現在不同溫度下監測電池截面的變形信息，從而分析電池的失效機理。包括：寬溫度原位電池測試系統、力學原位加載電池測試系統或寬溫度原位電池測試系統和力學原位加載電池測試系統；本發明可以對電池施加不同的溫度的同時還可以施加不同的外部力的作用，從而可以使電池的測試環境更接近實際的運行環境，以便更準確分析電池在不同環境中的失效機理，從而指導電池的商業化生產以及后續的研究。

技術領域

本發明涉及一種電池失效機理的原位測試，特別涉及一種多場耦合下電池原位掃描電子顯微鏡的測試裝置，屬于電池原位表征領域。

背景技術

隨著化石能源的日益短缺，新型可再生能源的開發成為人們關注的熱點。而二次電池作為一種清潔能源的載體，因其能量密度高、循環性能好、清潔環保等優點廣泛應用于電子通訊、軌道交通、航空航天等各個領域，是發展潛力巨大的新一代無污染能源。然而，在一些極端環境(高低溫，外力，沖擊力)下，電池性能發生劣化，以及在電池運行過程出現體積膨脹和變形等現象，這些問題都嚴重阻礙了電池領域的發展。因此，實時監測電池結構的變化并對其狀態進行評估是十分重要的。

目前，少數國內外學者用原位電子掃描電鏡(Scan electron microscope,SEM)觀察常溫下鋰電池硅碳負極和石墨負極的變形，實現室溫環境下電池電極表面變化信息以及截面變形問題。但是缺乏電池實際運行環境(-40～60℃)的原位測量電池微結構演變及表征評價方法；還有一些國內學者用原位光學顯微鏡以及三維光學成像測試單體測試體積膨脹問題，但是缺乏原位力學加載模塊。現有的原位電子顯微鏡技術只能在常溫常壓下監測電池運行的情況，缺乏對電池實際溫度工作下的運行情況分析以及在不同力學加載電池運行失效情況的監測，目前的監測技術與電池的實際運行環境有很大差異，導致對電池的失效機理分析不準確。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有技術存在檢測不準確的問題，提供一種多場耦合下電池原位掃描電子顯微鏡的測試裝置。該裝置能夠實現在不同電化學場、溫度場以及不同外力作用下電池微結構演變以及性能劣化的原位測試。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

一種多場耦合下電池原位掃描電鏡的測試裝置，用于對電池施加不同的溫度，可以實現在不同溫度下監測電池截面的變形信息，從而分析電池的失效機理。包括：溫度模塊底座、電池夾具、恒溫裝置、溫度傳感器墊層、銅散熱板裝置和絕熱電木模塊；

電池夾具用于固定被測電池；電池夾具、恒溫裝置和溫度傳感器墊層依次接觸，并通過螺釘固定，得到固定后裝置；將固定后裝置置于兩個銅散熱板裝置之間，并通過銅散熱板裝置固定；銅散熱板裝置固定在溫度模塊底座上；所述溫度模塊底座中心處開設凹槽，凹槽處放置絕熱電木模塊；銅散熱板裝置上開設盲孔，用于與掃描電子顯微鏡裝置的法蘭連接，以便掃描電子顯微鏡裝置能夠對被測電池進行時時檢測；

所述溫度模塊底座為導電鋁板；所述恒溫裝置為制冷片；

工作過程：用電池夾具夾住被測試電池，然后通過恒溫裝置(制冷片)對電池施加不同溫度，并通過溫度傳感器墊層對電池周圍的溫度進行監控，恒溫裝置過程中需要銅散熱板裝置與掃描電子顯微鏡的腔體相連對其進行降溫從而達到電池周圍溫度的恒定。將此裝置放置到掃面電子顯微鏡的腔體內，對電池進行充放電測試，然后對電池充放電過程中的截面進行實時監測拍照。將掃面電子顯微鏡監測收集的圖像用(數字圖像相關法(DIC-Digital Image Correlation)進行分析處理，可以得到電池定量變形的信息。

一種多場耦合下電池原位掃描電鏡的測試裝置，用于對電池施加不同外載力，可以實現研究電池在不同外載力的作用下電池的失效機理。包括：力學模塊底座、電池夾具頂塊、導軌、伺服電機、滑動螺桿和力學傳感器。